-
Elektrische Gleichstrom-Unipolarmaschine Die Erfindung betrifft eine
elektrische Gleichstrom-Unipolarmaschine,beider die Stromabnahme am Umfang des zylindrischen
bzw. scheibenförmigen Rotors mit Hilfe von Quecksilber oder anderem flüssigen Kontaktmetall
erfolgt, das bei laufender Maschine einen flüssigen Gleitkontakt zwischen der inneren
Mantelfläche eines ringförmigen festen Stromabnahmekontaktes bzw. -ringes und der
äußeren Kontakt-Mantelfläche .des Rotors bildet.
-
Unipolarmaschinern dieser Art liefern bekanntlich - bei verhältnismäßig
geringen Spannungen - hohe Stromstärken; bei der üblichen Stromabnahme durch Kohlebürsten
wird demzufolge eine sehr große Zahl von Bürsten benötigt. Sowohl durch die mechanische
Reibung der Bürste als auch durch den Stromübergangswiderstand zwischen dem Rotor
und der Bürsten-Schleiffläche treten beträchtliche Leistungsverluste auf; zudem
ist bei Anwendung von Kohlebürsten der Umfangsgeschwindigkeit eine obere Grenze
gesetzt, die etwa bei 40 m/s liegt.
-
Zwecks Herabsetzung der mit der Stromabnahme von dem umlaufenden Rotor
verbundenen Verluste hat man bereits Stromabnahmekontakte aus flüssigem Metall,
z. B. aus Quecksilber oder einer Natrium-Kaliumlegierung, verwendet. Durch derartige
»flüssige Metallkontakte« lassen sich die Stromabnahmeverluste zwar verringern;
sie bleiben aber insbesondere bei höheren Umfangsgeschwindigkeiten an der Stromabnahmestelle
noch immer recht beträchtlich.
-
Bei einer bekannten Unipolarmaschine dieser Art sind zwei mit Quecksilber
gefüllte umlaufende Hohlringe vorgesehen, in die zur Stromabnahme dienende, am Gehäuse
befestigte Ringe eingreifen. In den zwischen dem Hohlring und dem äußeren feststehenden
Ring vorhandenen Zwischenraum ist dabei so viel Quecksilber gegossen., daß dieses
beim Betrieb der Maschine einen vollen Flüssigkeitsring bildet.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Unipolarmaschinen
der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß die durch die Stromahnahme
bedingten, einen wesentlichen Teil der gesamten Maschinenverluste darstellenden
Reibungsverluste wesentlich vermindert werden.
-
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß nur so
viel flüssiges Kontaktmetall Verwendung findet, daß der Gleitkontakt zwischen den
beiden Kontaktflächen durch einzelne Flüssigkeitstropfen gebildet wird.
-
Bei der erfindungsgemäßen Gleichstrom-Unipolarmaschine bilden sich
somit im Betrieb nicht ein die gesamte innere und äußere Kontakt-Mantelfläche bedeckender
geschlossener Ring aus, sondern vielmehr nur einzelne, aus Kugeln oder Tropfen des
flüssigen Kontaktmetalles bestehende Kontaktbrücken. die infolge ihrer gegenüber
einem geschlossenen Ring wesentlich kleineren Berührungsfläche mit den anliegenden
Kontakt-Mantelflächen nur erheblich geringere Gleitreibungsverluste verursachen.
-
Wie praktische Ausführungen gezeigt haben, läßt sich bei der erfindungsgemäßen
Unipolarmaschine ein Wirkungsgrad von etwa 98 % erreichen. Da die obere Drehzahlgrenze
der erfindungsgemäßen Unipolarmaschinen lediglich von der Schleuderfestigkeit der
Rotoren abhängt, jedoch infolge der erfindungsgemäßen Herabsetzung der Gleitkontaktflächen
nicht durch die Gleitreibungsverluste bestimmt wird, lassen sich Drehzahlen von
12 000 bis 15 000 U/min bzw. Umfangsgeschwindigkeiten von 120 m/s und darüber erzielen.
Derartige Generatoren können z. B. ohne irgendein Zwischengetriebe unmittelbar mit
sehr schnell laufenden Kraftmaschinen, wie Gasturbinen, gekuppelt werden. Man erhält
auf diese Weise kleine und sehr leistungsstarke Stromerzeugersätze, die zur Speisung
der Motoren zum Antrieb von Lokomotiven oder Kraftfahrzeugen geeignet sind.
-
Gemäß einer günstigen Ausgestaltung .der Erfindung beträgt die Menge
des flüssigen Kontaktmetalles weniger als 25 % der zur Bildung eines die gesamte
innere und äußere Kontakt-Mantelfläche bedeckenden geschlossenen Ringes erforderlichen
Menge. Zu dem Vorteil einer durch die wesentliche Herabsetzung der Gleitreibungsverluste
bedingten beträchtlichen Erhöhung des Wirkungsgrades kommt als weiterer Vorzug der
erfindungsgemäßen Gleichstrom-Unipolarmaschine somit der geringe Bedarf an flüssigem
Kontaktmetall hinzu.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung--der Erfindung
ist es - insbesondere .bei für größere Stromstärken bestimmten Unipolarmaschinen
- günstig, wenn die Mantelfläche der Rotorscheibe wenigstens eine Ringrippe aufweist,
wobei die-Menge des flüssigen Kontaktmetalles so bemessen ist, daß bei laufender
Maschine im wesentlichen nur die Mantelflächen der Ringrippen mit dem flüssigen.
Kontaktmetall in Berührung stehen, während die zwischen ihnen liegenden Rillen frei
von flüssigem Kontaktmetall sind. Auch bei einer derartigen Ausführung biltleri
sieh im Betrieb an der Mantelfläche der Ringrippen einzelne kugelförmige Kontaktbrücken,
die infolge der Fliehkraft nicht in den Rillenboden hinein wegfließen können: -Vorteilhaft
weist eine erfindungsgemäße Unipolarmaschineneinheit zwei über eine gemeinsame Achse
drehfest und elektrisch leitend miteinander verbundene Rotorscheiben auf, digiri
den Mäßen der Scheiben eng angepaßten rotationskörperförmigen Hohlräumen eines gemeinsamen
oder je eines besonderen Magnetgehäuses umlaufen, in denen-die beiden Rotorscheiben
von einander entgegengesetzten Magnetflüssen durchsetzt werden.
-
Die Erregerwicklung wird dabei zweckmäßigerweise in einer den Rand
der Rotorscheibe umgebenden Ringnut des Magnetgehäuses konzentrisch zur Rotorscheibe
angeordnet.
-
Diese und weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles hervor.
Die Zeichnung zeigt einen schematischen Axialschnitt durch eine als Generator oder
als Motor verwendbare erfindungsgemäße Unipolarmaschine.
-
Die Maschine umfaßt zwei symmetrische Maschinenhälften 1 und 1a, die
je einen scheibenförmig ausgeführten Rotort bzw. 2ä enthalten. Die Rotorscheiben
2 und 2 a sind über die gemeinsame, in Wälzlag ern3 gelagerte Welle4 mechanisch
starr gekuppelt und elektrisch leitend miteinander verbunden.
-
Die Rotorscheiben2 und 2a laufen in den Maßen der Scheiben eng angepaßten
rotationskörperförmigen Hohlräumen 5, 5 a der - im Ausführungsbeispiel getrennt
dargestellten, aber gegebenenfalls auch unmittelbar miteinander zu verbindenden
Magnetgehäuse 6, 6a um; in denen die beiden Rotorscheiben von einander entgegengesetzten,
durch die Pfeile 7, 7a versinnbildlichten Magnetflüssen durchsetzt werden. Die Erzeugung
der Magnetfelder erfolgt durch je eine ringförmige Erregerwicklung 8, 8a.
-
Die Erregerwicklungen können - wie an sich von üblichen Gleichstrommaschinen
her bekannt - in beliebiger Weise geschaltet werden; man kann eine Hauptstrom-,
Nebenschluß=, Verbund- oder Fremderregung vorsehen, wobei gegebenenfalls durch Anwendung
eines magnetischen Verstärkers der Maschine jede beliebige Charakteristik, insbesondere
z. B. eine spezielle Bahnmotoreharakteristik gegeben werden-kann.
-
Für die Stromabnahme sind zwei Stromabnahmeringe 9 und 9 ca vorgesehen,
die jeweils in einer den Rand der Rotorschenben2, 2a umgebenden konzentrischen Ringnut
10 bzw. 10 a angeordnet sind und mit ihrer inneren Mantelfläche je
einen Ringraum 11 bzw. lla nach außen begrenzen, der eine Isolationsauskleidung
12, 12 a aufweist, die- sich über den Bereich der Randzonen der Rotorscheiben2,
2a erstreckt.
-
Die beiden Stromabnahmeringe9 und 9a bilden die beiden Pole (+.Pöl,
-Pol) der Unipolarmaschine, da die in den Rotorschelb-eri2 und 2a erzeugten Radialspannungen
wegen der leitenden Verbindung der Scheibenmitten durch die gemeinsame Welle4 und
die entgegengesetzte Richtung der beiden Magnetfelder 7, 7a gleichsinnig in Reihe
geschaltet sind.
-
Die Hohlräume 5, 5a, in denen die beiden Rotorscheiben 2, 2a umlaufen,
sind durch zwischen der Welle 4 und den Magnetgehäusen 6, 6 a angeordnete Dichtungen
13 gegen die Außenluft abgeschlossen.
-
Die Gleitkontakt-Verbindung zwischen den Rotorscheiben2, 2ca und den
Stromabnahmeringen (Sammelringen) 9, 9a erfolgt mittels Quecksilbers, das während
des Laufs der Maschine von den Rotorscheiben mitgerissen und über die innere Mantelfläche
der Stromabnahmeringe9, 9ca verteilt wird.
-
Erfindungsgemäß ist dabei nur so viel flüssiges Kontaktmetall vorgesehen,
daß sich im Betrieb kein geschlossener Flüssigkeitsring, sondern nur einzelne kugel-,bzw.
tropfenförmige Kontaktbrücken bilden.
-
Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sind die
Mantelflächen der Rotorscheiben 2, 2a mit Ringrippen 14, 14a versehen, deren radialer
Abstand a von dem Stromabnahmering 9 bzw. 9a sehr klein ist. Bei laufender Maschine
stehen im wesentlichen nur die Mantelflächen der Ringrippen mit dem flüssigen Kontaktmetall.
in Berührung, und zwar nicht längs eines geschlossenen Ringes, sondern nur punktweise,
d. h., die Berührung zwischen den Rippen 14, 14a und den Ringen 9, 9a erfolgt nur
mittels einzelner über den Umfang verteilter Flüssigkeitstropfen, während die zwischen
den Rippen 14, 14ca liegenden Rillen völlig frei von flüssigem Kontaktmetall sind.
-
Durch diese Verringerung der Berührungsflächen zwischen dem Rotorumfang
und dem flüssigen Kontaktmetall werden die Verluste ganz wesentlich herabgesetzt;
sie liegen bei einer Umfangsgeschwindigkeit von 80 bis 120 m/s etwa in der Größenordnung
von 60 bis 100 W.
-
Im Stillstand der Maschine befindet sich das flüssige Kontaktmetall
im unteren Teil der konzentrischen Ringnut 10 bzw. 10a; es wird erst beim Anlauf
durch den Rotor mitgerissen und unter Mitwirkung der Zentrifugalkraft punktförmig
über die innere Mantelfläche des festen Stromabnahmeringes verteilt. Zur Vermeidung
unerwünschter Kurzschlüsse sind die seitlichen Flächen der Rotorscheiben 2, 2a mit
einem (nicht dargestellten) - isolierenden Überzug versehen. Dieser Überzug kann
durch Phosphatierung erzeugt oder als Lack aufgestrichen sein.
-
Die Menge des flüssigen Kontaktmetalles kann weiter verringert- werden,
wenn man dafür sorgt, daß zwischen dem flüssigen Kontaktmaterial und den Mantelflächen
der Ringrippen 14, _14a größere-Adhäsionskräfte vorhanden sind, so daß die Ringrippen
das flüssige Kontaktmetall kräftig mitreißen. Die Vergrößerung der Adhäsion zwischen
den Ringrippendes Rotors und dem flüssigen Kontaktmetall kann entweder .durch Wahleines
benetzenden Kontaktmetalles oder durch geeignete Oberflächenbehandlung der Ringrippen
erreicht werden. _ Die in der Zeichnung dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Gleichstrom-Unipolarmaschine gewährleistet, daß das flüssige Kontaktmetall keinesfalls
mit anderen Maschinenteilen, wie z. B. den Erregerwicklungen .oder den Lagern, in
Berührung kommt; weiterhin ist die in die Maschine eingeschlossene Luftmenge so
gering, daß das flüssige Kontaktmetall" insbesondere Quecksilber, nicht oxydieren
kann! und auch die Ventilationsverluste ,gering bleiben.
-
Die dargestellte Ausführungsform dürfte zugleich .die sehr einfache
und robuste Konstruktion der Maschine
deutlich machen, die gegenüber
Erschütterungen und Schwingungen weitgehend unempfindlich ist und sich demgemäß
auch bei Antrieben verwenden läßt, die betriebsmäßig starken Erschütterungen ausgesetzt
sind, wie z. B. als elektrische Zugmotoren für Gleis- oder gleislose Fahrzeuge.